Atunci când un curent este aplicat unui strat subțire de diselenură de wolfram, acesta începe să strălucească într-un mod extrem de neobișnuit. Pe lângă lumina obișnuită, pe care o pot emite alte materiale semiconductoare, diselenura de tungsten produce și un tip foarte special de lumină cuantică strălucitoare, care este creată numai în anumite puncte ale materialului. Constă dintr-o serie de fotoni care sunt întotdeauna emiși unul câte unul – niciodată în perechi sau în mănunchiuri. Acest efect anti-grupare este perfect pentru experimente în domeniul informațiilor cuantice și al criptografiei cuantice, unde sunt necesari fotoni unici. Cu toate acestea, de ani de zile, această emisie a rămas un mister.

Cercetătorii de la TU Vienna au explicat acum acest lucru: O interacțiune subtilă a defectelor atomice unice ale materialului și deformarea mecanică sunt responsabile pentru acest efect de lumină cuantică. Simulările pe computer arată cum electronii sunt conduși în locuri specifice din material, unde sunt capturați de un defect, pierd energie și emit un foton. Soluția la puzzle-ul luminii cuantice a fost acum publicată în Physical Review Letters.

Grosi de doar trei atomi

Diselenidura de wolfram este un material bidimensional care formează straturi extrem de subțiri. Astfel de straturi au doar trei straturi atomice groase, cu atomi de wolfram în mijloc, cuplati cu atomi de seleniu dedesubt și de deasupra. „Dacă se furnizează energie stratului, de exemplu prin aplicarea unei tensiuni electrice sau prin iradierea acesteia cu lumină de o lungime de undă adecvată, acesta începe să strălucească”, explică Lukas Linhart de la Institutul de Fizică Teoretică de la TU Vienna. „Acest lucru în sine nu este neobișnuit, multe materiale fac asta. Cu toate acestea, atunci când lumina emisă de diselenura de tungsten a fost analizată în detaliu, pe lângă lumina obișnuită a fost detectat un tip special de lumină cu proprietăți foarte neobișnuite.”

Această lumină cuantică de natură specială constă din fotoni cu lungimi de undă specifice – și ei sunt întotdeauna emiși individual. Nu se întâmplă niciodată ca doi fotoni de aceeași lungime de undă să fie detectați în același timp. „Acest lucru ne spune că acești fotoni nu pot fi produși aleatoriu în material, dar că trebuie să existe anumite puncte în proba de diselenid de wolfram care produc mulți dintre acești fotoni, unul după altul”, explică profesorul Florian Libisch, ale cărui cercetări se concentrează pe două -materiale dimensionale.

Explicarea acestui efect necesită înțelegerea detaliată a comportamentului electronilor din material la nivel fizic cuantic. Electronii din diselenura de wolfram pot ocupa diferite stări de energie. Dacă un electron trece dintr-o stare de energie înaltă într-o stare de energie mai mică, este emis un foton. Cu toate acestea, acest salt la o energie mai mică nu este întotdeauna permis: electronul trebuie să respecte anumite legi - conservarea momentului și a momentului unghiular.

Datorită acestor legi de conservare, un electron într-o stare cuantică de înaltă energie trebuie să rămână acolo – cu excepția cazului în care anumite imperfecțiuni ale materialului permit schimbarea stărilor de energie. „Un strat de diselenid de wolfram nu este niciodată perfect. În unele locuri, unul sau mai mulți atomi de seleniu pot lipsi”, spune Lukas Linhart. „Acest lucru schimbă, de asemenea, energia stărilor electronilor din această regiune.”

Mai mult, stratul de material nu este un plan perfect. Ca o pătură care se încrețește când se întinde pe o pernă, diselenura de wolfram se întinde local atunci când stratul de material este suspendat pe structuri de susținere mici. Aceste tensiuni mecanice au un efect și asupra stărilor de energie electronică.

„Interacțiunea defectelor de material și a tensiunilor locale este complicată. Cu toate acestea, acum am reușit să simulăm ambele efecte pe un computer”, spune Lukas Linhart. „Și se dovedește că doar combinația acestor efecte poate explica efectele ciudate de lumină.”

În acele regiuni microscopice ale materialului, unde defectele și tulpinile de suprafață apar împreună, nivelurile de energie ale electronilor se schimbă de la o stare de energie ridicată la una scăzută și emit un foton. Legile fizicii cuantice nu permit ca doi electroni să fie exact în aceeași stare în același timp și, prin urmare, electronii trebuie să sufere acest proces unul câte unul. Ca rezultat, fotonii sunt emiși unul câte unul, de asemenea.

În același timp, distorsiunea mecanică a materialului ajută la acumularea unui număr mare de electroni în vecinătatea defectului, astfel încât un alt electron este ușor disponibil pentru a interveni după ce ultimul și-a schimbat starea și a emis un foton.

Acest rezultat ilustrează faptul că materialele ultrasubțiri 2-D deschid posibilități complet noi pentru știința materialelor.